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氢气泡模板电沉积3D-多孔Ni/NiO薄膜及其脱嵌锂性能的研究

作　者: 张恩爽
导　师: 张乃庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 锂离子电池 负极材料 3D-多孔Ni/NiO薄膜 氢气泡模板法
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着笔记本电脑、数码产品、通讯设备的普及更新换代及市场对动力电池这一新型绿色能源的强大需求，促使人们开发新一代锂离子电池。新一代锂离子电池应具备：高容量、高功率、高安全性及长寿命等特点。新一代锂离子电池的发展依赖于电极材料的创新，尤其需要进一步提高电极材料容量、循环、倍率性能及安全可靠性。目前商用的负极材料主要是石墨、焦炭等碳材料，其容量低、倍率及安全性差等已无法满足新一代锂离子电池对高性能负极材料的要求。NiO作为一种典型的3d-过渡金属氧化物负极材料，具有容量高(718mAh·g-1)、安全性好、来源广泛等特点，是目前过渡金属负极材料的研究前沿及热点领域。本文针对NiO负极材料中存在首次库伦效率低和循环及倍率性能差的问题，采用氢气泡模板电沉积法构筑3D-多孔Ni/NiO薄膜，并将其用于锂离子电池负极材料的研究。实验中以不锈钢作为基底，控制实验条件，在电沉积金属Ni薄膜的同时，利用高阴极极化下原位生成的氢气泡为模板，构筑3D-多孔Ni薄膜。分别对NiCl2、NH4Cl的浓度、电流密度、沉积时间及加入添加剂等诸多合成条件对孔及孔壁结构的影响进行了深入研究。经实验优化，确定了最佳的试验条件:主盐浓度NiCl20.02mol·L-1、NH4Cl1mol·L-1，电流密度4A·cm-2，沉积时间20s，制备的3D-多孔Ni薄膜具有良好的结构，孔径范围在10-20μm，孔壁颗粒分散性好，平均晶粒尺寸0.5-2μm，薄膜厚度约为3-5μm。在上述获得3D-多孔Ni合成条件与薄膜结构影响规律的基础上，对制备的3D-多孔Ni薄膜进行高温氧化处理，构筑3D-多孔Ni/NiO薄膜。对氧化温度和氧化时间对薄膜结构的影响进行了研究，热处理温度低于400°C时金属Ni的氧化反应不充分，热处理温度过高（600℃）会使多孔薄膜孔壁颗粒团聚在一起不利于形成高比表面积的结构，经实验优化，烧结制度为450°C时间2h时，所构筑的3D-多孔Ni/NiO薄膜结构展示出了最佳的电化学性能。此时所得到的孔道相互连通，孔壁颗粒分散较好，主孔存在的同时，颗粒间的堆垛还形成不同等级的孔，且对薄膜的氧化是部分氧化，孔壁颗粒是由外部是NiO壳层内部是金属Ni的交联状结构。组装电池，初始容量为659mAh·g-1电池在1C条件下经100次循环容量增长至763mAh·g-1，20C时仍能保持在675mAh·g-1以上。通过对其物理结构核电化学特性的深入分析，其优异的性能一方面归结于构筑的3D-多孔结构具有较高的比表面积，能够显著地增大电极与电解液之间的有效接触面积，使反应活性位点增多，并且多孔结构能够在充放电过程中缓解活性物质由于体积膨胀导致的内应力变化，防止活性物质从基底脱落；另一方面，3D-多孔结构为电子提供连续的传输通道，Ni和NiO的交联状结构改善了材料的导电性，大大减小了锂离子扩散的路径，大幅度提高了电池的循环和倍率性能。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-25
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10
  1.2 过渡金属氧化物负极材料的储锂机理和研究进展  10-13
    1.2.1 过渡金属氧化物负极材料的储锂机理  11-12
    1.2.2 过渡金属氧化物负极材料的研究进展  12-13
  1.3 薄膜材料的研究进展  13-20
    1.3.1 纳米薄膜材料  13-17
    1.3.2 3D-多孔薄膜材料  17-20
  1.4 3D-多孔薄膜材料的制备方法  20-23
    1.4.1 3D-多孔材料的制备方法  21-22
    1.4.2 氢气泡模板法电沉积制备 3D-多孔金属材料  22
    1.4.3 氢气泡模板法电沉积制备 3D-多孔金属材料的研究进展  22-23
  1.5 立题依据和研究内容  23-25
第2章 实验材料与测试方法  25-31
  2.1 实验药品及实验仪器  25-26
    2.1.1 实验药品  25
    2.1.2 实验仪器  25-26
  2.2 材料的物理性能表征  26-28
    2.2.1 X 射线衍射表征  26-27
    2.2.2 扫描电子显微镜表征  27
    2.2.3 X-射线光电子能谱表征  27
    2.2.4 透射电子显微镜的表征  27
    2.2.5 热分析表征  27-28
  2.3 测试电池的制备  28-29
    2.3.1 薄膜电极的制备  28-29
    2.3.2 电池的装配  29
  2.4 电池电化学性能测试  29-31
    2.4.1 循环伏安曲线测试（CV）  29-30
    2.4.2 电化学交流阻抗谱测试  30
    2.4.3 恒流充放电测试  30-31
第3章 氢气泡模板法电沉积制备 3D-多孔 Ni 薄膜  31-44
  3.1 氢气泡模板法制备 3D-多孔 Ni 薄膜的合成及表征  31-36
    3.1.1 电流密度和沉积时间对多孔薄膜结构的影响  32-34
    3.1.2 镀液组成对多孔薄膜结构的影响  34-36
  3.2 添加剂对多孔薄膜结构的影响  36-43
    3.2.1 苯甲醛和 OP 对多孔薄膜结构的影响  37-40
    3.2.2 十二烷基硫酸钠对多孔薄膜结构的影响  40-41
    3.2.3 盐酸对多孔薄膜结构的影响  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第4章 3D-多孔 Ni/NiO 薄膜的合成及其脱嵌锂性能的研究  44-61
  4.1 氢气泡模板制备 3D-多孔 Ni/NiO 薄膜及其表征  44-48
  4.2 不同沉积条件和烧结制度对材料结构及电化学性能的影响  48-55
    4.1.1 NiCl_2浓度对材料表面形貌和电化学性能的影响  48-50
    4.1.2 烧结温度和时间对材料结构及循环性能的影响  50-52
    4.1.3 电流密度和沉积时间对薄膜结构和循环性能的影响  52-55
  4.3 3D-多孔 Ni/NiO 薄膜材料的电化学性能表征  55-59
  4.4 本章小结  59-61
第5章 3D-多孔 Cu_2O/Cu 薄膜的合成及其脱嵌锂性能的研究  61-67
  5.1 3D-多孔 Cu_2O/Cu 薄膜的合成及其脱嵌锂性能的研究  61-63
  5.2 3D-多孔 Cu 薄膜合成条件对孔结构的影响及其倍率性能  63-66
  5.3 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-73
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  73-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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